Laboratorní návody z organiké chemie

Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
Laboratorní návody k úlohám z
organické chemie
Kombinované bakalářské studium
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 2
ETHYLFORMIÁT
Teorie
Ethylformiát se připravuje esterifikací kyseliny mravenčí ethanolem, která se provádí
v přítomnosti bezvodého chloridu vápenatého.
HCOOH
+
CH3CH2OH
CaCl2
HCOOEt
+
H2O
Chemikálie
Kyselina mravenčí (85 % hm., hustota 1,220) 45 ml tj.54,2 g (1 mol)
Ethanol
70 ml tj. 55,2 g (1,2 mol)
Chlorid vápenatý (bezvodý)
16 g
Soda, Potaš
Postup
Ke směsi kyseliny mravenčí a ethanolu v 250 ml kulaté baňce se přisype práškovitý bezvodý
chlorid vápenatý. Na baňku nasadíme sestupný Claisenův chladič a reakční směs zahříváme
na elektrickém topném hnízdě) tak, aby se vznikající ester pomalu oddestilovával. Z počátku
zahříváme velmi mírně (max. na stupeň 1), protože směs se reakčním teplem samovolně
ohřívá. V závěru reakce můžeme teplotu zahřívání mírně zvyšovat (stupeň 2 - 3). Reakci
ukončíme, když vznikající ester přestává destilovat ( b.v. 52 - 56° C) a teplota dosáhne cca
60° C. Pak odstraníme tepelný zdroj, surový ester z jímadla přelijeme do dělící nálevky
a protřepeme jej s cca 15 ml chladného nasyceného roztoku sody (P o z o r - uvolňuje se oxid
uhličitý, dělící nálevku je třeba včas odvzdušnit.) a pak 15 ml studené vody. Formiát tvoří
v obou případech horní vrstvu. Po oddělení vody ester přelijeme do suché, dobře uzavíratelné
baňky nebo lahvičky a přidáme asi 10 g vyžíhané potaše. Doba sušení je minimálně 3 hodiny.
Sušidlo odfiltrujeme přes skládaný filtr přímo do baňky, ze které budeme, za použití malého
Claisenova chladiče, produkt destilovat. Destilaci provádíme na malém topném hnízdě
(stupeň 1 - 2). Jímáme frakci o b.v. 52 - 56° C.
Ethylformiát (M = 74,08), příjemně vonící kapalina o b.v. 56° C
2
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 3
1) DIAZOTACE A KOPULACE, PŘÍPRAVA ORANŽE II
Úkol
Připravte barvivo Oranž II a připravené barvivo použijte k obarvení bavlněné tkaniny.
Teorie
Diazotace je reakce aromatických primárních aminů s alkalickým dusitanem v přebytku
minerální kyseliny, při níž vznikají tzv. diazoniové soli. Kopulace je reakce diazoniových solí
s aromatickými aminy nebo fenoly za vzniku azolátek. Reakce slouží například k přípravě
azobarviv, která se používají při barvení textilních materiálů. Azobarviva, která jsou ve vodě
rozpustná, obsahují tzv. solubilizační skupinu, např. sulfoskupinu. Oranž II je jednoduché
monoazobarvivo. Používá se jako tzv. kyselé barvivo pro vlnu, přírodní hedvábí, popř. pro
polyamid. Příprava Oranže II se skládá ze tří fází. Nejdříve se připraví ß-naftolát sodný podle
schématu:
Ve druhé fázi diazotujeme sodnou sůl kyseliny sulfanilové působením HNO2, kterou získáme
vytěsněním kyselinou chlorovodíkovou z NaNO2:
Ve třetí fázi kopulací β-naftolátu sodného s kyselinou diazosulfanilovou připravíme
azobarvivo Oranž II.
3
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
Postup
Příprava ß-naftolátu sodného
1 g ß-naftolu rozmíchejte v malé kádince (50 ml) se 7 ml NaOH (c = 1 mol/dm3) a za horka
(40 až 60 °C) rozpusťte. Přidejte 8 ml destilované vody a vzniklý ß-naftolát sodný ochlaďte
ve studené vodě.
Diazotace kyseliny sulfanilové
V malé kádince (50 ml) rozpusťte za horka 1 g kyseliny sulfanilové a 0,8 g uhličitanu
sodného v 8 ml vody. Roztok ochlaďte na normální teplotu a přidejte do něj 0,5 g dusitanu
sodného. Pak ochlaďte roztok ve studené vodě na co nejnižší teplotu. Vzniklou sodnou sůl
kyseliny sulfanilové diazotujte pomalým přidáváním 5 ml HCl (c = 4 mol/dm3) za současného
míchání tyčinkou. Roztok diazotované kyseliny sulfanilové ochlaďte ve studené vodě.
Kopulace ß -naftolátu sodného s diazosulfanilovou kyselinu
Ochlazený roztok diazotované kyseliny sulfanilové přidávejte za stejnoměrného míchání
k ochlazenému roztoku ß -naftolátu sodného. Potom ponechte směs volně stát 10 až 15 minut.
Barvení vlněné tkaniny pomocí Oranže II
Připraveným azobarvivem obarvěte kousek vlněné tkaniny. Malé množství pasty barviva (asi
na špičku lžičky) rozpusťte ve 150 ml vody v 250 ml kádince, vložte kousek vlny a barvicí
roztok povařte. Pak roztok okyselte 1 ml HCl (c = 4 mol/dm3). Tím dojde k rychlému
vytažení barviva na vlákno. Proto se Oranž II označuje jako „kyselé“ barvivo.Obarvenou
tkaninu rozdělte na dvě poloviny. Jednu přiložte do protokolu a druhou použijte v následující
práci.
Protokol
V protokolu bude popis výsledného produktu a k protokolu bude přiložen ústřižek bavlněné
tkaniny obarvený připraveným barvivem.
4
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
2) REDUKCE AZOSLOUČENIN NA OBARVENÉ TKANINĚ
Úkol
Obarvenou vlnu z předchozího pokusu odbarvujte v redukční lázni dithioničitanu sodného.
Teorie
Azosloučeniny lze obecně poměrně snadno rozložit tak, že se azoskupina zredukuje nějakým
vhodným redukčním prostředkem na hydrazosloučeninu, která už obvykle není barevná.
Redukce postupuje současně dále až na aminy podle schématu:
V případě redukčního rozkladu na aminy je barvivo rozloženo nevratně (nelze jej oxidací
znovu získat).
Redukčním přípravkem je např. dithioničitan sodný Na2S2O4, jehož účinek je dán následující
reakcí:
Postup
Připravte 100 ml redukční lázně dithioničitanu sodného o hmotnostní koncentraci
cw = 10 g/dm3 v kádince 250 ml. Na odbarvení použijte teplotu 40 až 65 °C. Čím vyšší
koncentraci a teplotu použijete, tím proběhne redukční rozklad rychleji a úplněji, avšak také
více poškodíte vlněné vlákno. Redukcí přecházejí cystinové můstky –S–S– ve vlně na –SH
skupiny a vlna tím ztrácí pevnost. Odbarvený materiál propláchněte, usušte a přiložte
k protokolu.
Protokol
V protokolu bude popis výsledného produktu a k protokolu bude přiložen ústřižek odbarvené
bavlněné tkaniny.
5
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 4
FLUORESCEIN
Teorie
Celá řada zejména organických, ale i anorganických sloučenin, je schopna se excitovat
absorbovaným zářením a tuto excitační energii pak vyzářit opět jako elektromagnetické záření
o stejné nebo delší vlnové délce. Podle doby života excitovaného stavu rozlišujeme
fluorescenci (je krátká a vizuálně trvá stejně dlouho jako excitující záření) a fosforescenci (je
dostatečně dlouhá na to aby měla dosvit sekundy až dny po ukončení ozařování). Velmi
intenzívní žlutozelenou fluorescenci vykazuje v alkalickém vodném prostředí barvivo
fluorescein (tzv. „uranin“, nazvaný podle toho že uranylové soli fluoreskují velmi podobnou
barvou).
HO
O
HO
O
+
OH
OH
O
ZnCl2
2
O
O
O
Chemikálie
ftalanhydrid
resorcin (1,3-dihydroxybenzen)
chlorid zinečnatý (katalyzátor)
Postup
Do zkumavky dáme pečlivě promísenou směs půl lžičky ftalanhydridu, půl lžičky resorcinu
a několika krystalů chloridu zinečnatého. Opatrně zahřejeme asi 2 minuty nad kahanem tak,
aby stačila z roztavené tmavočervené směsi unikat voda a nedošlo k připečení. Pak zkumavku
necháme vychladnout a vypláchneme 2 % hydroxidem sodným do 200 ml 2 % hydroxidu
sodného. Vzniklý roztok fluoresceinu fluoreskuje na denním světle intenzívně žlutozeleně, při
excitaci ultrafialovým 10 světlem je fluorescence ještě mnohem intenzivnější.
Protokol
Uveďte vzhled výsledného produktu a popište barvu na běžném světle a pod UV lampou.
6
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 5
REDUKČNÍ ÚČINKY ALDEHYDICKÉ SKUPINY
Úkol
Postříbřete vnitřní povrch zkumavky bezproudovým postupem redukcí roztoku dusičnanu stříbrného
glukózou.
Teorie
Látky s aldehydickou skupinou R-CHO mají redukční účinky. Těchto jejich redukčních schopností se
využívá při bezproudovém pokovení skla nebo plastů. Například z roztoku diamminstříbrného
komplexu [Ag(NH3)2]+ lze látkou s aldehydickou skupinou vyredukovat na sklo kovové stříbro
v podobě zrcátka. Při tomto ději se aldehydická skupina mění na karboxylovou.
Schéma změny aldehydické skupiny na karboxylovou
Postup
Nejprve odmastěte zkumavku a to tak, že ji naplníte asi do dvou třetin 25 % roztokem NaOH
a obsah necháte zahřát asi 10 min na vodní lázni (75 až 85 °C). Zkumavku pak vypláchněte
tekoucí vodou a nakonec destilovanou vodou. V této zkumavce připravte roztok
diamminstříbrného komplexu. K cca 2 ml (2 cm výška sloupce kapaliny) roztoku dusičnanu
stříbrného (c = 0,1 mol/dm3) přidávejte po velmi malých dávkách zředěný roztok amoniaku
(1 : 10). Nejprve musí vzniknout bílá sraženina, pak dále přidáváte zředěný roztok amoniaku,
až se sraženina právě rozpustí. K takto připravenému roztoku přidejte asi 1 ml (1 cm sloupce
ve zkumavce) formaldehydu. Netřepete, nemícháte. Zkumavku ihned postavte do vodní lázně
(75 až 85 °C) na dobu 1 aţ 2 minuty. Na stěnách zkumavky se vyloučí stříbro v podobě
zrcátka. Nebyla-li zkumavka řádně vyčištěna, není zrcátko souvislé. Pokud vznikne špinavě
šedá sraženina, vyloučilo se amorfní stříbro. Bylo to způsobeno buď nepřesnou přípravou
diamminstříbrného komplexu nebo znečištěním. Je možno opakovat zkoušku s jiným
roztokem AgNO3. Roztok AgNO3 se i nepatrným znečištěním snadno znehodnotí.
Protokol: popište vzhled výsledného produktu.
7
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 6
REAKCE ANHYDRIDŮ KARBOXYLOVÝCH KYSELIN
Úkol
Ověřte chování acetanhydridu pomocí pokusů popsaných v následujícím pracovním postupu.
Teorie
Anhydridy jsou neutrálně reagující deriváty karboxylových kyselin, kterých se používá k tzv.
acylaci, tj. k zavádění skupiny R–C=O. Anhydridy tvoří s vodou příslušné kyseliny,
s alkoholy estery a s amoniakem amidy.
Postup
a) Na mokrý univerzální pH-papírek naneste 1–2 kapky acetanhydridu. Zbarvení papírku se
nezmění. Vysvětlete!
b) Dejte několik kapek acetanhydridu na hodinové sklíčko a rozmíchejte jej s vodou. Kapka
roztoku zbarví indikační pH papírek červeně. Vysvětlete!
c) Směs 0,5 ml acetanhydridu a 0,5 ml ethanolu rozmíchejte ve zkumavce tyčinkou, která byla
namočena v koncentrované H2SO4 a mírně zahřívejte ponořením zkumavky do horké vodní
lázně vody. Přikápněte ještě 2 ml zředěného roztoku uhličitanu sodného. Ucítíte vůni octanu
ethylnatého.
Protokol
Do protokolu popište pozorované skutečnosti a vysvětlete.
8
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 7
MAKROMOLEKULÁRNÍ LÁTKY, PŘÍPRAVA GLYPTALOVÉ
PRYSKYŘICE
Teorie
Polymer je vysokomolekulární sloučenina, v jejíž molekule se mnohonásobně opakuje jedna
nebo několik základních jednotek, které označujeme jako monomery. Glyptalová pryskyřice
náleží mezi polyestery s trojrozměrnou strukturou souhrnně nazývané alkydy. Jedná se
o makromolekulární látku vyráběnou polyadicí. Připravuje se z anhydridu kyseliny ftalové
(ftalanhydridu) a glycerinu. Průběh reakce do 1. stupně naznačuje schéma:
Postup
Navažte na navažovací lodičce 3 g anhydridu kyseliny ftalové (ftalanhydridu). Navážku
vsypte do suché zkumavky a přidejte injekční stříkačkou (bez jehly) 1,5 ml glycerinu. Směs
zahřívejte malým plamenem, až se tavenina vyčeří. Po samovolném ochlazení zkumavky
vznikne tuhá čirá glyptalová pryskyřice.
Protokol
Do protokolu zaznamenejte vzhled produktu.
9
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 8
N-FENYL-ACETAMID (ACETANILID)
Teorie
Syntéza acetanilidu je příkladem přípravy amidů kyselin acetylací aminů. V našem případě
reaguje anilin s acetanhydridem podle reakce:
O
NH2
O
+
O
O
HN
+
O
OH
Chemikálie
technický anilin
5 ml (0,055 mol)
acetanhydrid
7 ml (0,75 mol)
aktivní uhlí
Postup
Ve 100 ml Erlenmeyerově baňce smícháme 5 ml anilinu s 40 ml studené vody. Za
intenzivního třepání pak přidáme po částech 7 ml acetanhydridu, přičemž pozorujeme jednak
samovolné zahřívání reakční směsi, jednak vylučování krystalického podílu. Třepáme ještě
chvíli a pak ponecháme obsah baňky 30 min. v klidu. Vyloučené krystaly odsajeme na fritě
a z filtračního koláče vymačkáme obrácenou skleněnou zátkou matečné louhy. Získaný
produkt je znečištěn malým množstvím barevných nečistot, které byly přítomny v anilinu.
Proto surový acetanilid překrystalujeme z vody za přítomnosti malého množství karborafinu.
Pokud se při rozpouštění v horké vodě vytvoří na dně olejovitá vrstva (roztavený acetanilid),
je nutno přilévat po malých dávkách horkou vodu a míchat tyčinkou dokud vrstva nezmizí.
Acetanilid, který se vyloučil po ochlazení roztoku ve formě bílých šupinek, odsajeme,
vysušíme na filtračním papíru při laboratorní teplotě a stanovíme bod tání.
Acetanilid je bílá krystalická látka, b.t. 115 – 116 oC.
Protokol: zaznamenejte vzhled vzniklého produktu.
10
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 9
1) ROZLIŠENÍ PRIMÁRNÍCH, SEKUNDÁRNÍCH A TERCIÁRNÍCH ALKOHOLŮ
Teorie
Reaktivita OH-skupin alkoholů se liší v závislosti na tom, je-li OH-skupina vázána na
primární, sekundární nebo terciární atom uhlíku. Rozdíly se projevují zejména při oxidaci
(vznik různých produktů) a nukleofilní substituci. Na tom je založen Lukasův test, který
umožňuje na základě rozdílné reaktivity vazby C-OH s chloridovými ionty rychle rozlišit
primární, sekundární a terciární alkoholy.
Postup
1) Příprava Lukasova činidla (ekvimolární roztok ZnCl2 v konc. HCl). V 15 ml konc. HCl
rozpusťte za chlazení 68 g bezvodý ZnCl2.
2) K 1 ml zkoumané látky přidejte cca 5 ml Lukasova činidla.
Primární alkoholy do 5-C se rozpustí, roztok často ztmavne, ale zůstane čirý (reakce
neprobíhá).
Sekundární alkoholy se nejprve rozpustí, ale za několik minut se roztok zakalí a postupně se
objeví jemné kapičky alkylchloridů.
Terciární alkoholy reagují velmi rychle, prakticky okamžitě se objeví dvě vrstvy, z nichž
jedna je příslušný chlorid.
Protokol: popište získané výsledky.
11
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
2) ODBARVOVÁNÍ LYKOPENU
Teorie
Hlavním červeným barvivem v rajčatové šťávě je karoten lykopen. Absorpční maximum
barviva je závislé na délce konjugovaného řetězce, a pokud se tento řetězec zkracuje,
absorpční maximum se posouvá ke kratším vlnovým délkám. Adice bromu na lykopen
probíhá postupně „od konce“ a tím postupně zkracuje jeho řetězec nenasycených vazeb.
Vzhledem k výše uvedenému a faktu, že adice každého dalšího bromu probíhá o něco méně
ochotně, lze při vytvoření gradientu koncentrace bromu vytvořit i gradient molekul
nabromovaných postupně do různých stupňů s různě dlouhým zbývajícím řetězcem
konjugovaných dvojných vazeb, což se projeví barevnými pruhy. Pořadí komplementárních
barev k barvám pásů (tj. absorbované barvy) sledují pořadí duhy, jak se postupně posouvá
absorpční maximum přes viditelnou oblast až do ultrafialové.
Postup
Do 100 ml odměrného válce nalijeme asi 50 ml husté rajčatové šťávy (přírodní,
nekonzervované). Pak vložíme do válce tyčinku delší než válec a rajčatovou šťávu opatrně,
aby se vrstvy co nejméně promísily, převrstvíme bromovou vodou (cca 10 mL, nutno použít
nasycenou bromovou vodu, ne pouze nažloutlou). Pak tyčinkou opatrně pomalu obsah válce
horizontálně promícháme. Prakticky ihned se rozvine „duha“ a jak brom difunduje, pásy se
posouvají směrem dolů.
Protokol
Do protokolu zaznamenejte barevné změny a porovnejte se je s absorpčním spektrem.
12
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 10
REAKCE AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
Úkol
Rozlište pomocí sulfonační reakce vzorek aromatického a alifatického uhlovodíku. Ke
zkoušce použijte benzín jako směs alifatických uhlovodíků a xylen jako derivát benzenu,
u něhož probíhá sulfonace snadněji než benzenu. Barevné změny, které při reakci zpozorujete,
zaznamenejte.
Teorie
Benzen, xylen a toluen jsou typickými zástupci aromatických uhlovodíků. Reakcí s kyselinou
sírovou můžeme odlišit aromatické uhlovodíky od alifatických, protože benzen a jeho
homology se kyselinou sírovou sulfonují a v sulfonační směsi se pak rozpouštějí. Nasycené
alifatické uhlovodíky (benzin) s kyselinou sírovou nereagují. Reakce xylenu s kyselinou
sírovou (sulfonace) probíhá podle následujícího schématu:
Postup
Do dvou suchých a čistých zkumavek nalijte po asi 1 až 2 ml koncentrované H2SO4 (1 až
1,5 cm sloupec) a do první přidejte asi 0,5 ml xylenu a do druhé asi 0,5 ml benzinu. Reakční
směs v otevřené zkumavce opatrně protřepejte. Při práci použijte ochranný štít. Při
likvidaci reakčních směsí velmi opatrně nalévejte obsah zkumavek do proudu studené vody
ve výlevce. Při práci stále používejte ochranný štít. Vodu do zkumavek na vymytí můžete
opatrně vlít až po úplném vylití reakční směsí. V žádném případě nesmíte vodu vlít do
zkumavek s koncentrovanou kyselinou sírovou nebo reakční směsí s ní, protože hrozí
nebezpečí velmi silné exotermické reakce a vystříknutí směsi ze zkumavky do obličeje.
Protokol
Do protokolu zaznamenejte barevné změny, které při reakci zpozorujete.
13
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
ÚLOHA 11
1) ESTERIFIKACE
Úkol
Připravte methylester kyseliny salicylové – libavkovou silici.
Teorie
Esterifikace je reakce mezi kyselinou a alkoholem, při níž vzniká ester kyseliny a voda.
Esterifikací -COOH skupiny kyseliny salicylové metanolem (metylalkoholem) vzniká
příjemně vonící ester kyseliny salicylové, tzv. silice libavková, dříve používaná též k utišení
revmatických bolestí. Reakce probíhá podle schématu:
Postup
V navažovací lodičce navažte asi 0,2 g kyseliny salicylové a přesypeme ji do suché
zkumavky. Přelijte ji asi 2 ml (bez odměřování, odhadem 2 cm) methanolu (metylalkoholu,
CH3OH) a potřepáním kyselinu salicylovou rozpusťte. Do druhé suché zkumavky nalijte asi 1
ml koncentrované (96 %) H2SO4. Kyselinu sírovou pak opatrně, po kapkách, přilévejte do
roztoku kyseliny salicylové ve zkumavce. Pozor, při nesprávném postupu může dojít k
prudké reakci a vystříknutí kapaliny! Použijte proto ochranný štít.
Protokol
Do protokolu zaznamenejte vzhled a vůni produktu.
14
Praktikum z organické chemie
Katedra chemie TU v Liberci
___________________________________________________________________________________www.kch.tul.cz___________
2) ACETYLACE KYSELINY SALICYLOVÉ
+
OH
O
O
COOH
H3C
O
COOH
H3PO4
CH3
O
O
CH3
Postup
Do zkumavky se umístí 0,1 g kyseliny salicylové. K ní se opatrně přidá 1,5 ml acetanhydridu
a dvě kapky kyseliny fosforečné. Zkumavka se po dobu 15 minut zahřívá na vodní lázni. Pak
se nechá vychladnout, k reakční směsi se přidají 3 ml vody a zkumavka se umístí do ledové
lázně. Vyloučené krystaly produktu se odfiltrují.
Protokol
Do protokolu zaznamenejte vzhled produktu.
15